(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体製造プロセスにおける排気ガス中の様々な物質が、水分計のセル中の反射鏡や窓に付着し、光学系における反射率や透過率を低下させ、分析感度が低下することを防止する。【解決手段】半導体製造プロセス用吸光分析装置は、半導体製造プロセスの処理チャンバ３９の排気流路に接続された流路切換え機構５０と、レーザ光源からのレーザ光をセル内で多重反射させてガスによる吸光度変化を検出してプロセスガス中の水分濃度を測定する多重反射型水分濃度計測用吸光分析計５１とを備えている。流路切換え機構５０は、分析計５１を経て排気される流路と、分析計５１を経ないで排気されるバイパス流路とを切り換えるものである。その際、プロセスガス中のパーティクルを計測するパーティクル測定結果を流路切換えの判定基準として用いることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体製造プロセスの処理チャンバの排気流路に接続された流路切換え機構と、前記流路切換え機構を介して接続され、レーザ光源からのレーザ光をセル内で多重反射させてガスによる吸光度変化を検出してプロセスガス中の水分濃度を測定する多重反射型水分濃度計測用吸光分析計と、を備え、
前記流路切換え機構は、前記排気流路を前記分析計を経て排気される流路と前記分析計を経ないで排気されるバイパス流路との間で切り換えることを特徴とする半導体製造プロセス用吸光分析装置。
【請求項２】
前記処理チャンバにはプロセスガス中に含まれるパーティクルを計測するパーティクルカウンタが備えられている請求項１に記載の半導体製造プロセス用吸光分析装置。
【請求項３】
前記流路切換え機構、前記パーティクルカウンタ及び前記分析計と通信可能に接続された制御部を備え、前記制御部はプロセスガス中に一定量以上のパーティクルが検出された場合に前記流路切換え機構を自動的にバイパス流路に切り換えるものである請求項２に記載の半導体製造プロセス用吸光分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を利用してガス中の水分量を測定する装置に関し、特に、半導体の製造ラインにおいてプロセスガス中の水分濃度を一定値以下に抑えるために水分量を常時監視する半導体製造プロセス用吸光分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体の製造プロセスでは、半導体基板（シリコンウエハ）表面に対して各種の微細加工や処理が行なわれる。その際、エッチングガス、エピタキシャル成長用の反応ガス、ＣＶＤ（化学気相成長）用の反応ガスなどの多様なプロセスガスが用いられる。それらのプロセスガス中に水分が含まれると、プロセスガスと水分、又は基板表面と水分が反応して不要な副生成物が生じる結果、製造される半導体の歩留まりが著しく低下することが知られている。
【０００３】
そのため、半導体製造プロセスにおいて、処理の安定性を確保するためにプロセスモニタを装着することが検討されている。その一つとして、排気口にモニタを装着し、排気ガスの成分を監視することにより、半導体製造プロセスの状態把握とロット内歩留まり、ロット間歩留まりの向上、処理の安定化を図ることが提案されている。
【０００４】
通常、プロセスガスとしては反応性の高いガスを使用することが多いことから、その排気ガス中には、腐食性の高いガス、未反応物、水分等の反応性副生成物など、様々な物質が混ざっており、排気ガスを監視する場合は、その測定系においてハード面及びソフト面での対応が必要となる。
【０００５】
排気ガスのモニタとしては、特に水分モニタが重要である。プロセスガス中に含まれる水分濃度を計測する方法として、例えば、水晶振動子の周波数変化を計測する水晶発振式や、ガス中の水分を吸着させて静電容量変化を計測する静電容量式が知られている。また、波長可変型のレーザを用いて赤外吸収分光法により水分濃度を測定するレーザ水分計も提案されている（特許文献１，２参照。）。
【０００６】
上述のレーザ水分計は、サンプルセル内にサンプルガスを導入するとともに、サンプルセルに所定の波長を有するレーザ光を入射し、透過したレーザ光を解析することにより、水分の吸収波長でのレーザ光の強度から水分濃度を検出するものである。センサ部が測定対象ガスに非接触で測定可能であることから、水晶発振式や静電容量式のものとは異なり、腐食性ガスにも適用できるとともに、応答時間が高速であることを特徴とする。
【０００７】
また、上述のレーザ水分計における排気ガス分析用セルでは、分析感度を上げるため、Ｗｈｉｔｅ式や、対向する２枚のミラー間で複数回反射するＨｅｒｒｉｏｔｔ式（非特許文献１参照。）などが用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−９９８４５号公報
【特許文献２】特開平１１−１８３３６６号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】D.R.Herriott, H.Kogelnik, and R.Kompfer, Appl. Opt. 3, 523(1964).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
半導体製造プロセスにおける排気ガス中には様々な物質が含まれており、これが水分計のセル中の反射鏡や窓に付着し、光学系における反射率や透過率の低下原因となり、分析感度が低下することが問題点として挙げられている。
【００１１】
本発明は半導体製造プロセスの排気ガスモニタに使用する水分計の感度低下を抑えることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
排気ガス中の様々な物質の内、水分計の分析感度の低下に最も影響の大きいものがパーティクル（粉粒体物質）である。パーティクルは連続的に発生することは比較的稀であり、ロードロック室と処理チャンバ間のゲートバルブを開けた直後や、反応性ガスを導入した直後など、特定のタイミング時に起きることが多い。そこで本発明は、水分濃度測定に影響を及ぼすパーティクルが混入しないようにした。
【００１３】
本発明の半導体製造プロセス用吸光分析装置は、半導体製造プロセスの処理チャンバの排気流路に接続された流路切換え機構と、前記流路切換え機構を介して接続され、レーザ光源からのレーザ光をセル内で多重反射させてガスによる吸光度変化を検出してプロセスガス中の水分濃度を測定する多重反射型水分濃度計測用吸光分析計とを備えている。そして、上記流路切換え機構は、排気流路を、分析計を経て排気される流路と、分析計を経ないで排気される流路（バイパス流路）との間で切り換えるものである。
【００１４】
処理チャンバにはプロセスガス中に含まれるパーティクルを計測するパーティクルカウンタを備えていることが好ましい。流路切換え機構はパーティクルカウンタによるパーティクル測定結果を流路切換えの判定基準として用いるようにすることができる。
【００１５】
分析計へのパーティクルの混入を自動的に防ぐため、上記流路切換え機構、上記パーティクルカウンタ及び上記分析計と通信可能に接続された制御部を備えるようにし、制御部はプロセスガス中に一定量以上のパーティクルが検出された場合に流路切換え機構を自動的に切り換えて、排気流路を上記分析計を経ないで排気されるバイパス流路に接続されるようにして、パーティクルが分析計内に付着することを防ぐようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、処理チャンバの排気流路に流路切換え機構を介して多重反射型水分濃度計測用吸光分析計を備え、排気流路を、分析計を経る流路とバイパス流路とに切り換えられるようにしたので、パーティクルの発生が一定レベル以上の場合、パーティクル濃度の高い排気ガスはバイパス流路を通過させ、分析計内の光学素子面にパーティクルが付着することを防ぐことで、感度低下を抑えて水分濃度を精度よく測定できるようになる。
【００１７】
また、処理チャンバにパーティクルカウンタを備えるようにすれば、流路を切り換える際の判定基準として用いることができ、セル内の光学素子面にパーティクルが付着することを防止することで、水分濃度を正確に測定できるようになる。
【００１８】
制御部を備えるようにすれば、分析計へのパーティクルの混入を自動的に防ぐことができるようになり、操作が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施例を示す概略図である。
【図２】多重反射型水分濃度計計測用吸光分析計の一実施例を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に本発明の実施例を説明する。
図１は半導体製造プロセスモニタ用吸光分析装置の概略図である。ウエハカセット３１に収められているシリコンウエハ３３は減圧環境に移行させるためのロードロック室３５に入れられる。ロードロック室３５にはドライポンプ５７が接続されており、内部を減圧することが可能である。
【００２１】
ロードロック室３５はゲートバルブ３７を介してシリコンウエハにプロセスガスを処理する反応室（処理チャンバ）３９と接続されている。ゲートバルブ３７はロードロック室３５の圧力が反応室３９内にウエハを移送可能な圧力（通常１００ｍＴｏｒｒ〜５０ｍＴｏｒｒ）になったときに開かれる。
【００２２】
反応室３９の下流側には主排気ポンプ４７が接続されており、さらに下流に接続されているドライポンプ５５とともに、反応室３９内を減圧するのに用いられる。
反応室３９にはプラズマ処理に用いられる種々の反応性ガス類がバルブ４１を介して供給され、ウエハに種々のプロセスガスを用いて処理できるようになっている。また、反応室３９には真空計４３とパーティクルカウンタ４５が接続されており、反応室３９内の真空度とパーティクル数を計測できるようになっている。
【００２３】
流路切換え機構５０として用いられる切換え弁４９及び切換え弁５３は、主排気ポンプ４７とドライポンプ５５の間に接続されており、両弁４９，５３は分析計５１の試料ガス導入口及び排出口に接続されているとともに、両弁４９，５３間を短絡する流路にも接続されている。両弁４９，５３は反応室３９からの排気流路を、分析計５１を経て排気される流路を構成する態様と、分析計５１を経ないで両弁４９，５３間を短絡するバイパス流路を構成する態様との間で切り換えられる。弁４９，５３としては、例えば、Ｓｗａｇｅｌｏｃｋ社の３方バルブ（ＳＳ６８−ＸＴＦ３２）などを使うことができる。
【００２４】
制御部５９はパーティクルカウンタ４５、流路切換え機構５０及び分析計５１に接続されており、通信可能になっている。
【００２５】
分析計５１としては多重反射型水分濃度計測用吸光分析計を用いる。次に分析計５１として用いる多重反射型水分濃度計測用吸光分析計について説明する。図２は吸光分析計の概略断面図である。
試料ガスが導入される多重反射セル１４の内側両端には、一対の対向した凹面ミラー１５，１６がレーザ光を多重反射するように配置されている。ミラー１５，１６はフランジ１７ａ，１７ｂにそれぞれ配置されている。
【００２６】
レーザ光を照射する光源室５はセル１４のミラー１６側に隣接して配置されている。ミラー１６とフランジ１７ｂにはレーザ光の入射と出射のための光透過窓２０ａが設けられ、その光透過窓２０ａに対応する光源室５の壁面にもレーザ光の入射と出射のための光透過窓２４が設けられている。光透過窓２０ａと２４の一方又は両方には、レーザ光に対して透過性の石英板などからなる窓板が嵌め込まれて、セル１４と光源室５の間が気密封止されている。光源室５の内部には光源部６と、光源部６から照射されたレーザ光を反射させて光透過窓２４，２０ａからセル１４内に導入するミラー７と、ホトダイオードなどからなる検出部９と、セル１４内でミラー１５，１６により多重反射し光透過窓２０ａ，２４から出射したレーザ光を検出部９に導くミラー８とが備えられている。
【００２７】
光源部６の光源にはレーザ光を使用する。これは、ハロゲンランプなどのランプ光源では、ミラー１５，１６の間で多重反射する間に光束の発散が大きくなり、充分な光量を取り出せないからである。
【００２８】
光源部６と検出部９は光源室５の側面に設けられているコネクタ１３を介し、レーザ光の波長を一定の走査周波数で走査する制御部２５に接続されている。制御部２５は図１の制御部５９に接続されている。
【００２９】
セル１４には試料ガスを導入する試料ガス導入口１８と、試料ガスを排出する試料ガス排出口１９が設けられている。試料ガス導入口１８と試料ガス排出口１９は、それぞれ図１の切換え弁４９と切換え弁５３に接続されている。
【００３０】
光源室５にはパージガスを導入するパージガス導入口４とパージガスを排出するパージガス排出口１２が設けられており、Ｎ2などのドライガスがパージガス導入口４から導入され、パージガス排出口１２から排出される。
【００３１】
次に同実施例の動作を説明する。
［半導体製造プロセス］
ウエハ３３はウエハカセット３１からロードロック室３５に移送される。ロードロック室３５内において、ウエハ３３を反応室３９内に移送してもよい圧力（通常１００ｍＴｏｒｒ−５０ｍＴｏｒｒ）まで減圧する。ロードロック室３５で減圧後、反応室３９との間を仕切っているゲートバルブ３７を開け、ウエハを反応室３９内に移送する。
【００３２】
反応室３９の圧力は、ウエハ導入の際に若干の圧力変動があることから、所定圧力（数ｍＴｏｒｒ〜数百μＴｏｒｒ）まで主排気ポンプ４７で下げておく。その後、反応性ガス類をバルブ４１を介して反応室３９に導入し、プラズマを点火することでウエハにプラズマ処理を行なう。
【００３３】
反応室３９においては、ウエハ表面とプラズマによって励起された反応ガス、励起された複数の反応ガス間など、複雑な反応系で処理が行なわれる。プロセス処理の間、反応室３９内のガスは主排気ポンプ４７によって常時排気され、分析計５１を経て水分が監視されながら、不要な物質（例えば、未反応ガス、反応生成物、ラジカル等）は排出除去される。
【００３４】
［水分濃度計測］
図２において、ドライガスは光源室５のパージガス導入口４から導入し、パージガス排出口１２から排出される。光源室５の内部には水分等の成分が付着しないよう、充分にパージし、減圧しておくことが望ましい。
【００３５】
試料ガスはセル１４の試料導入口１８から流して微量水分の測定を行なう。光源室５内の光源部６から出射されたレーザ光はミラー７で反射され、多重反射セル１４に向かう。レーザ光は光透過窓２４，２０ａを通過した後、対向して配置されているミラー１５，１６の内、まずミラー１５に入射する。その後、ミラー１５とミラー１６の間で多重反射を繰り返す。多重反射後のレーザ光は光透過窓２０ａ，２４から取り出され、光源室５内のミラー８に入射して反射され、検出部９に入射して光電変換され、水分濃度が測定される。
【００３６】
［流路切換え］
反応室３９に接続されているパーティクルカウンタ４５により、反応室３９内のガス中のパーティクル数を計測し、一定レベル以上のパーティクルが計測された場合は流路切換え機構５０を切り換え、反応室３９からの排気ガスを、分析計５１を経ないバイパス流路に流すようにする。
【００３７】
半導体製造プロセスにおける排気ガスには様々な物質が含まれているが、水分濃度を計測することで、プロセスが適当に行なわれているか否かを判断することができる。
【００３８】
本発明は、主排気ポンプ４７と分析計５１との間に切換え弁４９，５３を設置し、反応室３９からの排気ガスを、分析計５１を経る流路か分析計５１を経ない流路かに選択して流すことができるようにした。それにより、個々の半導体製造プロセス及びモニタリングの特性に見合ったタイミングと量（時間制御）で、サンプルガスを分析計５１に導入することができる。
【００３９】
切換え弁４９，５３の切換えは、反応室３９に取り付けられたパーティクルカウンタ４５による計測結果を制御部５９にフィードバックし、リアルタイムで、流路切換えのタイミングを決めるようにしてもよい。また、ダミーテストを行なって、パーティクルカウンタの計測結果から切換え弁４９，５３の切換えタイミングを予め求めておき、その予め求めたタイミングで手動又は自動により切換え弁４９，５３を切り換えるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は水分量を常時監視する半導体製造プロセス用吸光分析装置として利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
４      パージガス導入口
５      光源室
６      光源部
７，８      ミラー
９      検出部
１２      パージガス排出口
１３      コネクタ
１４      多重反射セル
１５，１６      ミラー
１７ａ，１７ｂ      フランジ
１８      試料ガス導入口
１９      試料ガス排出口
２０ａ      光透過窓
２５      制御部
３１      ウエハカセット
３３      ウエハ
３５      ロードロック室
３７      ゲートバルブ
３９      反応室（処理チャンバ）
４１      バルブ
４３      真空計
４５      パーティクルカウンタ
４７      主排気ポンプ
４９，５３      切換え弁
５０      流路切換え機構
５１      分析計
５５，５７      ドライポンプ
５９      制御部
【図１】
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【図２】
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